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不同离子条件下微生物降低聚合物粘度的研究

摘要

为了降低油田采出污水中聚丙烯酰胺粘度，提高油田采出水处理效果，本论文利用从大庆油田筛选出的降粘菌，结合油田应用的聚丙烯酰胺浓度分析离子的种类及浓度对降粘菌降粘率的影响，并对降粘菌进行菌种鉴定。同时分析了不同离子及混合离子的加入对聚丙烯酰胺粘度的影响，为控制采油体系中金属离子浓度，减少采油过程中金属离子导致的粘损程度，提高原油采出率提供实验支撑。结果显示：在1750mg/L的聚丙烯酰胺浓度下，所测

10~50mg/L离子浓度范围内，二价离子Mn2+、Fe2+和Fe3+的加入可以很大程度的提高降粘菌的降粘率，最高降粘率分别可达到38.3%、35.6%、34.7%；一价K+离子对菌的降粘率提高不大；Cu2+、Zn2+的加入会降低菌的降粘率；混合离子（Mn2+、Fe2+、Fe3+、K+离子浓度30mg/L，Cu2+、Zn2+离子浓度10mg/L）的加入不会提高降粘菌的降粘率。这6种离子分别加入，均会降低聚丙烯酰胺的粘度，影响程度大小为Fe2+Fe3+Zn2+Mn2+K+Cu2+，同时加入会导致其粘度大幅度降低到17.7cP。

关键字：聚丙烯酰胺；降粘菌；粘度；阳离子；混合离子

绪论

选题的背景

油田聚合物驱等三次采油过程中，为了增加注入水的粘度，在注入水中添加水溶性的、相对分子质量高的部分水解聚丙烯酰胺HPAM[1]，提高注入水的粘度，从而提高原油采收率[2-3]，但同时也会导致采出污水处理难度增大[1]。含HPAM采出水处理的核心问题便是HPAM的降解[4]，虽然含有HPAM的油田采出污水处理后可以用于循环回注，但随着近年聚合物驱三次采油技术的推广，HPAM的应用日益增长，HPAM降解产生的单体丙烯酰胺会危害人和动物的健康，HPAM的长期滞留会污染土壤和水体，危害我们赖以生存的生态环境[5]。

油田配置采出水中HPAM溶液主要采用清水配制母液、采油污水稀释的方法[6]。采出水中离子含量会对HPAM的粘度产生一定的影响，控制好HPAM溶液中离子含量，可以有效增加HPAM的粘度，提高提高原油采收率。

生物降解是一种复杂的生物物化作用的过程[7]，HPAM降粘菌可以有效降解HPAM，这种菌少量存在于采油体系中，从油田采出水中筛选和驯化降粘菌，可以有效提高其HPAM降解率，即降粘率，降低采油污水出HPAM浓度，为保护生态环境做出贡献。研究降粘菌降粘机理可以提高降粘菌的降粘率，包括降粘菌生长环境的温度、pH、离子浓度等[8]。其中，离子浓度是本实验的主要研究方向，研究离子种类及浓度对降粘菌的降粘作用的影响，可以通过改变离子含量，提高降粘菌的降粘率。此外，在石油开采的过程中，一些降粘菌会使体系的粘度降低，从而大大降低了石油的采收率，通过改变采油体系中一些离子的含量，可以降低降粘菌的降粘率，提高油田采收率，减少油田经济损失。因此，HPAM降解研究迫在眉睫，筛选聚丙烯酰胺降粘菌及对其降解机理的研究显得至关重要。

1.1.1HPAM的生物降解机理

目前，含聚污水处理方法主要有物理法、化学法、生物法[9-10]。物理和化学法降解会产生二次污染物[10]，目前，工业中应用最多的是生物法，具有污染小，成本低等优点[11-13]，生物法是微生物在生物酶的作用下，以聚丙烯酰胺为营养源，经过一系列反应，在生长和代谢过程将HPAM降解为简单化合物，或完全降解为无机物[14-15]。

可以从油田采出水中筛选可以降解HPAM的降粘菌，但直接筛选很难获得降粘效果好的菌株，我们可以通过在实验室诱导降粘菌降解聚合物的酶系，驯化出有降解聚合物能力的菌株。国外学者[16-18]发现降粘菌可以利用HPAM的降解产物作为自身营养物，进一步促进HPAM的降解。

降粘菌降解机理主要有三类：（1）生物物理作用，菌生长与繁殖过程中以HPAM为营养物，利用其作为N源或C源，使高分子聚合物降解为小分子聚合物[7]，从而使HPAM粘度降低；（2）生物化学作用，菌生长在HPAM含量高的环境中，为了自身生存，在基因控制下，降粘菌在生长过程中逐渐产生用于降解HPAM的生物酶[7]，例如脱氨酶。

（3）酶直接作用，降粘菌在有氧参与下，可以断开HPAM链，把HPAM链降解为小分子物质[7]。降解产生的物质可以被菌作为营养源利用[18]，使HPAM粘度再次下降。

1.1.2离子影响HPAM粘度的机理

离子是影响HPAM粘度作用的一个因素，其影响机理如下：HPAM分子链由于具有羧基而带有负电，构想由于静电排斥作用较舒展，缠绕交联形成复杂的空间网状结构[19]，阻碍水分子的移动，此时，HPAM具有很高的粘度[20]。金属离子所带的正电可以中和HPAM分子链羧基带的负电，溶液中金属离子浓